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中图分类号:TK223 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2013)07(c)-0117-01
随着社会经济的发展,能源需求不断增加,同时能源使用生态化理念也应运而生,节能减耗清洁生产已经成为企业生产与政府研究的重要课题。在国家生态经济战略推进落实过程中,众多的小型燃煤火电因耗能与污染生产而关停,电力企业也在不断开展能源研发与资源利用技术创新工作,以求实现资源利用最大化。这种情况下,众多火电企业将目光投向了生物质改造利用,因此小型燃煤火电机组转换生物质燃料技术的可行性研究提上日程。笔者在本文中着重分析了小火电生物质改造转化技术的必要性与系统性,并就其应用风险进行了阐述。
1 小火电机组进行生物质改造的意义分析
近年来,一些小型火电电力生产运营过程中存在着污染严重、耗能过多等弊端,这与当今生态和谐社会建设要求严重不符,因此小型燃煤火电发电机组进行生物质燃料改造具有必要性。此外,生物质改造能够降低生产成本,还能提升企业生产生态效益,具有明显的推广优势。
1.1 小火电进行生物质改造的紧迫性
与大型发电机组生产运营情况相比,小火电具有高耗煤、低产量、高污染、低经济效益的“两高两低”特征,因而被冠以“能源消耗与环境污染大户”的专称。随着近年来国家经济结构调整措施的落实,小型火电已经成为经济结构调整的重点整顿对象,并对一批严重耗能与污染的小火电实施了关停政策,迫于形势压力,小火电必须进行生产结构调整,并着重进行能源改造,加大新能源创新与应用研发。
生物质燃料具体表现为柴薪等有形物质,区别于太阳能与风能等清洁可再生能源,生物质燃料的情节性主要取决于燃料改造技术,但是生物质具有一项明显的能源优势便是可再生并且可运输,这就为生物质开发应用提供了便利,也为小型火电进行生物质气燃料改造提供了条件。
1.2 小火电生物质改造技术及其应用意义
现阶段,国家不断提倡进行能源改造与清洁能源研发,这为生物质能源转化应用提供了政策支持,国家还对生物质能源转化应用进行经济政策规定,为生物质能源转化应用提供了良好的外部环境。小型火电进行生物质能源转化主要是进行就地取材,既节省了煤耗,还降低了污染,而且企业发展还享有国家基金与经济倾斜,能为企业经济效益的实现提供保证。
2 小型燃煤火电发电机组生物质改造的可行性与风险性分析
2.1 小火电生物质改造技术可行性分析
小型燃煤发电机组进行生物质燃料转换具有明显的可能性。进行生物质能源改造需要资金少,而且还可以进行生物质燃料混燃,其中的各种改造方案都具有明显的可能性。小型燃煤发电机组改造活动集合理化设计、整合技术、试验验证等各环节于一体,因而生物质能源改造具有系统性。生物质能源改造技术的可能性与系统性决定了该技术具有可行性。
2.1.1 生物质能源改造的可能性
现阶段,我国小型火电发电机组进行生物质能源改造主要有三类设计,每种方案设计都具有可能性。
小型火电生物质燃烧利用主要分为生物质纯燃与生物质混燃两种,这两种应用技术都具有可能性。所谓生物质纯燃即指生物质直燃,该种技术应用不存在难点,但是具有一定的应用弊端。生物质直燃技术的应用首先要进行燃料机改进,以使燃料设备能应用于生物质燃烧,还要在生物质燃烧过程中进行纯燃弊端克服。生物质混燃技术在现阶段应用比较广泛,主要是将生物质与煤等碳化燃料进行混合燃烧应用,该技术能够有效降低氮氧化物的排放,而且在混燃过程中还能有效降低生物质的活性指数,有效降低温室气体的排放,具有良好的生态效益。
小型燃煤发电机组生物质燃料改造还包含流化床燃烧技术设计与层燃炉燃烧技术设计,这两方面技术主要是根据生物质燃烧进行的技术设计。其中流化床燃烧技术主要是进行生物质的流态化燃烧,该技术能够保证生物质的充分燃烧,而且能满足生物质多元燃料混合燃烧需求,燃料普适性较高。流化床燃烧技术因为这些优势具有广泛的应用前景。而生物质层燃炉燃烧技术主要是应用层燃炉排进行生物质燃烧,该种燃烧技术应用时间较长,流化床燃烧技术便是基于该种燃烧技术进行的燃烧技术创新,相比于层燃技术,流化床技术能够有效降低火电运行成本,且操作设备简单,易于推广。
小型火电生物质改造主要是针对生物质燃烧进行设备改造,基于此小型电厂进行了燃烧设备与系统改造处理,还进行了发电机组锅炉低成本设计改良。此间的设计与改造主要根据企业经济条件、设备运行情况实际情况进行的改良,具有明显的可行性。
2.1.2 小火电生物质改造系统性分析
小型火电生物质改造作为一项系统化的技术,其技术要点从设计环节到技术可行性预测再到技术方案的确定都经过科学论证,有效提升了改造技术的可行性。
在生物质改造技术中着重进行了燃料供应量设计与工艺系统改良,并基于小型火电设备运行与需求情况进行了锅炉参数设计。小型火电生物质改造转化中还进行了燃料可供性与入炉形式预测分析。生物质供应是影响企业生产运营成本的重要因素,确定合理化的生物质供应也能影响项目成败;而生物质入炉形式是影响生物质能否全面燃烧的关键因素,还能影响到燃烧设备的使用性能,不科学的入炉形式会缩短设备的使用寿命,还能影响企业生产运营的安全可靠性。
2.2 小火电生物质改造转换技术风险性分析
小型火电生物质转换改造技术在应用中尚存在一定风险,主要表现为技术风险、市场风险、实施与投资风险等,这些风险的存在主要影响技术管理水平,需要进行有效的技术管理措施加强。小型火电生物质技术的技术风险主要表现为锅炉改造与生物质燃烧技术。我国的生物质改造技术尚未发展成熟,也并未形成与国际技术的接轨,因此技术设计与应用中管理措施的不到位引发风险不由必然性。此外,生物质改良转换技术还具有一定的市场风险与投资风险。该种风险主要是由于生物质的供应与生产回报具有众多的不确定因素,以致风险指数较高。
3 结语
小型火电生物质燃料改造与转换技术具有十分明显的可行性,但是也具有一定的风险性,虽然风险的存在并不会影响技术的实施与应用,但是我们仍应该加大技术的风险管理,以全面提升转换技术的科学化与可行性水平。
参考文献
生物质能是一种以生物质为载体的能量,这种能量直接或间接地通过绿色植物的光合作用,把太阳能转化为化学能蕴藏在生物质内部。生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。生物质能资源通常指农业废弃物、林业废弃物和畜禽粪便等现有的废弃型资源,此外还包括专门种植的能源植物。二氧化碳(CO2)是导致温室效应的主要气体,而生物质燃烧所释放出的二氧化碳(CO2)大体上相当于其生长时通过光合作用所吸收的二氧化碳(CO2),因此生物质能利用的二氧化碳(CO2)排放可被认为是零。
生物质气化顾名思义,是将固态的生物质转变为气态的生物燃气利用,这个过程是通过生物质在高温条件下与氧气和/或水蒸气反应,转化为氢气(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气体。生物质气化和我们比较熟悉的燃烧虽然都是在高温条件下进行,但还是有重要的区别。燃烧是在氧气充足的条件下生物质完全燃烧,其中蕴藏的化学能全部转化为热能,反应产物为二氧化碳(CO2)和水(H2O);而气化则是在缺氧条件下生物质不完全燃烧,尽可能地减少二氧化碳(CO2)和水(H2O)的生成,从而将生物质的能量以化学能的形式保留在氢气(H2)和一氧化碳(CO)等可燃气中。
生物质气化产生的可燃气,也称为生物质气化燃气,利用范围非常广泛,既可以用来集中供气、替代化石燃料,还可以用来发电,甚至可以进一步变身成为液体燃料。
将生物质气化燃气通过集中供气系统,供给到居民家里,可以供居民进行炊事和采暖。自1994年山东省桓台县东潘村建成中国第一个生物质气化集中供气试点以来,山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津等省市陆续推广应用,在2000年前后达到了一个高峰。相关规范和制度正逐步完善,生物质气化集中供气应用在中国农村能源建设中稳步推进。
生物质气化燃气还可以替代工业锅炉/窑炉使用的化石燃料。工业锅炉和工业窑炉是我国能源消耗和污染排放的大户。而生物质气化产生的可燃气体,可不经净化直接应用于燃料品质要求较低的工业窑炉,如钢厂的轧钢加热炉,水泥厂的水泥回转炉;经过净化后的燃气可应用燃料品质要求较高的工业窑炉,如发电厂、陶瓷厂的窑炉。广州能源所及其合作公司已将生物质气化成功应用于工业锅炉、钢材煅烧炉、熔铝炉、熔铜炉、不锈钢退火炉等,燃烧效率可达到99%以上,节能减排效益显著。利用生物质气化燃气代替化石燃料,既节能又环保。
一、多能互补的必要性
数据显示,我国60%左右农村人口仍然靠传统的秸杆和薪材等解决能源问题。全国农村每年直接消耗的各种能源相当于5.6亿吨标准煤,占全国总能耗的一半左右。发展新能源已成为改变农村能源使用结构,减少环境污染以及促进农村社会和谐发展的重要手段。然而,农村新能源到底该向何发展,发展中要解决哪些问题?
农村新能源主要包括沼气、太阳能、风力发电、微小水电、生物质能这几个方面。现阶段农村能源应该多种形式并存,不同的地区应根据自身的特点,确定适合当地经济发展水平的发展方向和发展重点。
在谈到农村新能源利用时,国务院发展研究中心研究员周宏春教授提出了“四位一体”和“五配套”的概念。“四位一体”,就是以太阳能为动力,以沼气为纽带,将种植业和养殖业结合起来,在全封闭条件下将沼气池、猪禽舍、厕所和日光温室等一体化。
“这样既解决农村的能源供应,改善农民卫生和生活环境,又可以减少农作物和蔬菜生长中农药化肥的使用量,提高食品品质和食品安全。”“五配套”模式,是建一个沼气池、一个果园、一个暖圈、一个蓄水窖和一个看营房,实行人厕、沼气、猪圈三结合的立体养殖和多种经营系统。
农村新能源代表着未来能源利用的方向,发展前景是很好的。但是,一些地区受技术水平制约,影响了农村新能源技术的推广使用。此外,随着农村养殖户的减少,沼气的替代能源问题也是需要考虑的。拿沼气发展来说,要跳出为沼气而建沼气池的单纯观念,将推广沼气与养殖、种植相结合,打造“养殖一沼气一种植”的模式,促进经济增长方式的转变,达到“三沼(气、渣、液)”综合利用,增加农民收入的目标。
总之,农村能源的发展应坚持“因地制宜,多能互补,综合利用,讲求效益”。“特别是要重视发展生物质能技术及其产业。”农村能源行业协会会长朱明强调说。具体来说,就是大力发展以秸秆、稻草等这些原料丰富、取材容易的生物质能,以及清洁的太阳能、风能、微水电等可再生能源,同时通过改革炉具等措施提高能源利用效率,以实现农村地区社会经济的可持续发展。
国家发展改革委副主任解振华表示,未来我国将有序推进以秸秆为主要原料的生物质能源。为缓解资源能源约束,发展循环经济,保护环境,应对气候变化,我国将大力推动农作物秸秆在农业领域的循环利用,积极发展以秸秆为原料的加工业,有序发展以秸秆为原料的生物质能源。
二、生物质产业和技术在各国的发展概况
生物质产业已受到了国际社会的广泛关注,许多国家制定了促进生物质产业发展的相关政策,并投入了大量的资金用于研究开发和推广应用。由于生物质能作为可再生能源仅次于煤炭、石油、天然气之后第四大能源,因此它在整个能源系统中占有重要的地位。近些年来,开发利用生物质能成为当前国内外广泛关注的重大课题,既涉及农业和农村经济发展,又关系到国家的能源安全。作为经济快速发展的中国,大力开发新型可再生能源已经是国家发展的重要战略,因此开发利用生物质能这一课题,有利于中国开拓新能源,并且能够缓解能源供需矛盾,也是解决“三农”问题,保证社会经济持续性发展的重要任务。
生物质能的利用分为两种:直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等;间接作为燃料的有农林废弃物及藻类等,它们通过微生物作用生成沼气,或采用热解法制造液体和气体燃料,也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计,每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达1440~1800亿吨(干重),其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的3~8倍。但是尚未被人们合理利用,多半直接当薪柴使用,效率低。影响生态环境。
现代生物质产业是利用农作物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等可再生或循环的有机物质为原料,通过TA性加工转化生产化工产品、生物质燃料和生物能源以及生物质产品的一个格外引人关注的新兴产业。生物质既是可再生能源,也能生产出上千种的化工产品,且因其主要成分为碳水化合物,在生产及使用过程中与环境友好、又胜石油能源一筹。
目前我国的秸秆产出量已超过7亿吨,折合成标煤约为3.5亿吨,相当于7个神东煤田,全部利用可以减排8.5亿吨二氧化碳,相当于2007年全国二氧化碳排放量的1/8。随着国家明确提出到2015年秸秆综合利用率在80%的行动目标,我国秸秆资源化驶入快车道。以“秸秆能源”为代表的生物质能利用,在大力发展低碳经济的背景下,进入人们的视野。
目前。世界上较为成熟、可规模化开发利用的生物质技术主要集中在发电、固化成型燃料、沼气和液体燃料等方面。其中,生物质发电在发达国家已受到广泛重视,2005年全世界生物质发电的装机容量约达5000万千瓦,主要集中在北欧和美国。
生物质固化成型燃料在发达国家通常用来替代煤、燃气等作为民用燃料进行炊事、取暖,或用于区域供热和发电等。美国和欧洲一些国家的生物质成型燃料产品已进入商业化阶段,并相应开发了专用炉具;泰国、印度、越南、菲律宾等国也建成了一些生物质成型燃料生产厂,逐渐进入了规模化生产阶段。
沼气技术已经在有些国家普遍应用,欧洲和印度等地已建设了大量的户用沼气和大中型沼气工程。截至到2003年底,德国的大中型沼气工程总数已超过3000个,大多采用以畜禽粪便和秸秆为主要原料的厌氧消化工艺,机械化和自动化程度很高,生产出来的沼气主要用于发电。
生物液体燃料已实现规模化生产和应用。2005年,全世界生物燃料乙醇的总产量约为3000万吨,主要集中在巴西和美国;生物柴油总产量约220万吨,主要集中在德国。巴西以甘蔗为原料生产燃料乙醇,2005年的消费量为1200万吨,替代了当年汽油消费量的45%;美国主要利用耕地多、产量大的玉米为原料,同时积极发展纤维素制取燃料乙醇技术。欧盟对生物燃料也很重视。主要以大豆、油菜籽和回收的动植物废油等为原料生产柴油,2005年原欧盟15个成员国年产量约200万吨,占世界总产量的90%,其中德国年产量约为150万吨。
三、中国生物质产业的发展情况
中国农业生物质资源主要有农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工业副产品和能源作物等,资源丰富,产业发展潜力巨大。农业生物质具有资源种类多,分布范围广的特点,可转化为电力、燃气和液体燃料等多种商品位能源。
一直致力于生物质能研究的中国农业大学石元春院士认为,以秸秆为原料的现代能源是一个新兴产业。在当今发展清洁能源应对全球气候变暖的大形势下,秸秆迎来了 一个发展现代能源产业的重大机遇。
根据最新资料和有关专家预测,我国秸秆目前的用途是:还田15%,饲料16%,工业原料3%,薪柴50%和露地焚烧16%。也就是说,目前秸秆中的66%,约6_7亿吨是用于能源的,具有替代2.4亿吨标煤和减排5.8亿吨二氧化碳的能力。
秸秆还田、秸秆饲料、工业原料和薪柴的利用属于传统产业提升,而以秸秆为原料的现代能源是一个新兴产业。据了解,秸秆能源在欧洲发展已经有30多年,特别是北欧的丹麦和瑞典,秸秆发电和颗粒燃料的技术成熟度和商业化程度最高。
1、农作物秸秆
2004年我国小麦、玉米、稻谷、棉花、大豆、薯类、油料等主要农作物产量达4.69亿吨,秸秆产量约为5.96亿吨。预计到2020年我国主要作物的秸秆总量将达到8亿吨左右。其中,约有50%左右农作物秸秆用作农村居民生活用能,由于采用传统的燃烧方式,效率低下;我国以甘蔗渣及稻壳发电为应用方式的生物质燃烧发电已得到初步应用,总装机容量达800兆瓦;固化成型燃料技术已初步形成了研究、开发和应用同步推进的良好势头;以秸秆过腹还田、粉碎还田和生产有机肥还田的技术已形成一定应用规模;以秸秆为主要原料生产生物质材料的技术研究已经起步。
目前我国秸秆能源化主要有直接作为农村生活燃料、秸秆气化、压块替代煤炭燃料以及秸秆发电这几个途径。其中秸秆气化、压块替代煤炭燃料和秸秆发电已经在不少地方进行了探索和推广。
发展秸秆颗料燃料产业前景广阔。中国现年消费煤炭26亿吨,其中中小锅炉用约10亿吨,是温室气体排放大户,如果采用秸秆颗粒燃料替代,减排效益不可低估。
在中国,截至2007年底,核准的生物质直燃发电项目约百个,装机容量2500兆瓦,建成投交并网发电的项目总装机容量400兆瓦以上。截至2008年底,中国国能生物质发电集团已有10个30兆瓦和7个12兆瓦的生物质电站正在运营,其中单县电站装机容量30兆瓦,年发电2.2亿千瓦时,可替代8.7万吨标煤的燃煤,减排18万吨二氧化碳,农民年新增收入6000万元和获得1000多个工作岗位。秸秆直燃发电的技术和设备已经可以全部自主与国产。
秸秆能源产业还将为农民带来增收的机会。以每吨秸秆农民可获250至300元算,全国4亿吨能源用秸秆就能获得1000亿至1200亿元。计划2012年达40亿元。此外,农村的能源中,由烟熏火燎烧薪柴到烧颗粒燃料,能效可以提高2~3倍,能源消费质量也将显著提高。
2、能源作物
能源作物指经专门种植,用以作为能源原料的草本和木本植物,如甜高粱、甘蔗、木薯以及油菜等。全国未利用土地总面积为24508.79万公顷,其中有6020.56万公顷土地资源可供能源作物的开发种植。另外,每年还有约900万公顷不同类型的季节性农闲地,可以种植能源作物。
3、生物液体燃料
我国已建设了以陈化粮为原料生产燃料乙醇的示范工程,分别在6省市进行示范,燃料乙醇年生产能力已达102万吨。在非粮食作物生产燃料乙醇方面也取得了一定进展,已培育出适应盐碱地种植的“醇甜系列”杂交甜高粱品种,并建成了产业化示范基地;培育并引进了多个优良木薯品种,平均亩产超过3吨;育成了一批能源甘蔗新品系和能、糖兼用型甘蔗品种,并筛选出了适合甘蔗清汁发酵的菌株和活性干酵母菌株。
此外,我国已对利用菜籽油、棉籽油、乌桕油、木油、茶油和地沟油等原料生产生物柴油的技术开展了研究,目前已有年产10万吨生物柴油的生产能力。我国在双低油菜与杂种优势利用的结合上已达到国际先进水平:在油菜、油葵等主要作物上已开发出高含油量品种,含油量高达51.6%;为了不与食用油和工业用油争原料,还开发了利用麻疯树果实、黄连木籽等能源作物生产生物柴油的技术,初步具备了商业化发展的条件;在利用季节性农闲地种植油菜生产生物柴油方面具有很大潜力。
四、生物质产业在中国未来的前景
以生物质为原料生产绿色能源和环境友好产品是人类实现可持续发展的必由之路,已成为世界科技领域的前沿。随着经济的发展和社会的进步,世界各国将会更加重视环境保护和全球气候变化问题,通过制定新的能源发展战略、法规和政策,进一步加快生物质产业的发展。
从目前生物质的资源状况和技术发展水平看,今后发展的主要趋势是发电、供热、生产液体燃料和生物质材料等。最近20多年来,生物质技术发展很快,产业规模、经济性和市场化程度逐年提高,预计在2010~2020年间,大多数生物质技术可形成较强的市场竞争力,在2020年以后将会有更快的发展,并逐步成为主导产业。
生物质产业正成为朝阳产业。在中国发展生物质产业具有深远的意义,不仅有利于解决资源、能源短缺和环境污染问题,更是解决好“三农问题”、加快社会主义新农村建设的战略举措。中国政府高度重视生物质产业的发展。已经研究制定了一系列促进生物质产业发展的相关政策。
加强生物质技术研究与工程集成,在固化成型、燃烧、沼气、燃料乙醇、生物质材料等方面的关键技术研究和装备开发方面取得突破性进展,创新一批具有自主知识产权的技术和产品;推广一批先进的生物质工程技术;建成一批生物质产业化示范工程;开展我国农业生物质资源现状调查,初步查清我国生物质资源的拥有量和分布情况,建立生物质资源数据库,促进我国农业生物质产业的形成与发展。
全面推进生物质工程科技创新,在生物质能源转化和材料利用等方面达到国际先进水平,部分技术达到国际领先水平,增强我国农业生物质产业的国际竞争力。提高生物质能和产品在能源消费中的比重,通过生物质利用解决农村生活燃料短缺问题;基本实现农业废弃物的资源化利用,促进我国生态环境保护和社会经济的可持续发展。
以科学发展观为统领,以国家目标和市场需求为导向,针对我国生物质产业发展的关键环节,选择秸秆综合利用、农业有机废弃物资源化和能源作物开发为切入点,通过技术研究、集成和重点突破,创新生物质工程技术,加快生物质科研成果转化,促进生物质产业化进程,为建设社会主义新农村、为提高国家能源保障能力、为全面实现资源节约型和环境友好型社会建设目标提供重要的科技和产业支撑。
我国政府及有关部门已连续在四个国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目,开展了生物质能利用技术的研究与开发,如户用沼气池、节柴炕灶、薪炭林、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等,取得了多项优秀成果。《可再生能源法》的和实施表明中国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位,并在政策上给予了巨大优惠支持,“农林生物质工程”也已经成为“十一五”国家科技支撑计划重大项目。
对国际上生物质产业发展趋势和中国生物质产业发展现状,以及需要解决的紧迫问题与薄弱环节,选择秸秆综合利用、农业有机废弃物资源化和能源作物开发,增强我国农业生物质产业的竞争力,提高生物质能和在能源消费中的比重,通过生物质利用解决农村生活燃料短缺问题,基本实现农业废弃物的资源化利用,促进我国生态环境保护和社会经济的可持续发展。虽说生物质产业是世界发展和新兴的朝阳产业。但其当前成本与价格尚难与石油基产品竞争。
利用取之不尽,用之不竭的农林生物质生产材料和石油化工产品是绿色化学的重要研究方向。
关键词:生物质燃料;特性;炉具设计
中图分类号:TK6文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)05(c)-0000-00
随着化石能源的不断开采,化石能源已经接近枯竭的状态,另外,化石能源的价格高并且对环境的污染较为严重,因此,可再生能源的开发与利用就显得非常迫切,生物质能源作为可再生能源的重要组成部分,受到了各界人士的关注[1]。我们所说的生物质燃料主要是指农作物秸秆,它通过直燃式生物质炉具进行采暖。这种新兴的采暖方式极大地提高了人们的生活质量,推动了我国经济的发展。我国的生物质能源非常丰富,对我国社会和经济的发展提供了保障.下面具体的介绍一下生物质燃料特性与炉具设计。
1生物质燃料
生物质炉在设计的过程中受到了燃料燃烧特性的极大影响。
生物质燃料燃烧的过程是一个放热的化学反应过程,除了要具备燃料这一要素之外,还需要有充足的热量传递以及相应的空气,通过燃料和空气之间的热量、质的传送,达到燃烧的目的。在燃料燃烧的过程中会使周围的温度升高,加快传质,进而加速了热量的产生。
生物质燃料的燃烧过程有预热、干燥、挥发、分解析和焦炭的燃烧几个阶段。生物质燃料被引燃后,其表面温度会随着燃烧慢慢升高,燃料中的水分也慢慢的蒸发掉,进而使燃料变得更加干燥,变干燥的燃料再继续的进行吸热、温度持续升高,达到一定程度,燃料会发生分解的现象,析出的挥发物气体在空气混合后形成新的混合物,这一种混合物含有一定的氧气和挥发物的成份,在一定的温度和浓度的条件下,挥发物着火燃烧,进而为之后的焦炭燃烧提前做好准备[2]。燃料表面燃烧释放热量,不断积聚升温,并通过传导和辐射的方式,热量扩散至燃料的内层,内层挥发物由此析出,并与氧混合燃烧,进而放出了充足的热量。这个时候,挥发物会将燃料中的焦炭包围起来,由于炉膛中的氧很难与焦炭进行接触,所以,焦炭在这个时候不易燃烧,只有等到挥发物的成份慢慢减少,氧气可以和焦炭接触时,焦炭才可以燃烧。在焦炭慢慢燃烧的过程中,燃烧产生的灰分会再次包裹燃烧剩余的焦炭,进而影响着焦炭的燃烧,这时需要对其进行搅动或者对生物质炉进行通风,以使剩余的焦炭更好的燃烧,灰渣中会产生余碳。
2对直燃式生物质炊事采暖炉的设计
民用的生物质采暖炊事炉由料仓、烟囱、挡火板、水套、烟道、二次进风口、风门、出灰口以及炉膛燃料组成。
2.1 二次进风口的设计
生物质燃料中含有的氢和挥发份的含量都比煤炭中的含量要多,其中的碳和氢相结合,形成碳氢化合物,这种碳氢化合物的分子比较低,在温度达到250度时就可以进行热分解,在325度时热分解就相当的活跃,达到350度时,挥发份就能析出将近80%,挥发份的析出燃烧时间不长,只占了总燃烧时间的10%[3]。所以,如果对其的空气供应不足就会使挥发物无法燃烧殆尽,通常出现的黑色或者是农黄色的烟就是这样形成的,因此,在对生物质炉进行设计的时候,要充分考虑对挥发份空气的供给,在炉膛口的周围以及炉口壁的部分设计二次进风口,确保空气的充足,帮助挥发份的燃烧。
2.2 延长烟道燃烧回程的办法
对生物质炉的烟道进行设计时,要尽量延长烟道的燃烧回程,这主要是因为挥发份析出量过大但是燃烧时间却很短的缘故,将烟道的燃烧回程延长,能够最大限度的给挥发份的燃烧提供更多的时间和空间,进而使生物质燃料得到充分的利用。目前运用的最多的延长烟道燃烧回程的办法是对燃料进行反烧。
2.3 一次进风口的设计
生物质燃料相较于煤炭来说,更容易被引燃,因此在生物质燃料燃烧时可以适当的减少空气量的供给[4]。另一方面,当挥发份被慢慢的析出并且燃烧殆尽后,会产生焦炭,这种焦炭是一种较为疏松的状态存在的,经由气流运动部分的炭粒被送入到烟道中,并在烟道中蓄积成黑絮,这个时候如果通风太过会妨碍燃料的燃烧,所以,在对生物质炉具进行设计时,要将一次进风口设计小点。
2.4 水套的设计
在对烟道的水套进行设计时,应该尽量设计大面积的水套,这是因为挥发份在燃烧时会造成烟道内部的温度升高,因此,大面积的水套会使生物质炉的取暖效果更好。
2.5 生物质成型燃料的使用
由于生物质中的碳含量较低,密度不高以及质地松软的特性,所以生物质很容易燃烧,在燃烧的过程中要定时的向炉内填料,而致密成型设备在燃烧过程的应用,会把结构松散的生物质进行压缩,不仅可以解决生物质燃烧过程中需要不断填料的问题,还使燃料的存储和运输更加的便利。
2.6 防止燃烧结焦现象出现的办法
生物质燃料中含有较多的钾元素,在生物质燃料燃烧的过程中,达到一定的温度条件,氧化钾会以熔融状态存在,并且与硅、钙等混合,这种混合物在温度较低的情况下结成焦块,这些结焦块会阻碍炉灰的顺利排放和空气的供给。如果将炉膛内侧的水套设计成大面积,可以适量降低燃烧过程中产生的温度,进而起到防止燃烧结焦现象的产生。
3结束语
随着我国经济的发展,人们生活水平也在这一过程中不断地得到了提高,因而人们对生活的质量,也提出了新的要求,人们希望生活的环境更加环保、更加经济、更加健康,因而追求一种更为环保的炉具设计,以此来减轻传统煤炭燃料带来的环境污染问题。生物质燃料相较于传统的煤炭燃料来说,具有环保经济适用的特点。通过对生物质燃料特性的介绍以及对设计生物质炉的具体方法作简要的分析,为我国生物质炉在生活当中普及提供一定的依据,进而推动我国经济的迅速健康的发展。
参考文献
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关键词 密集烘烤;RF-3型生物质压块反烧炉;应用效果
中图分类号 S226.9 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2013)14-0198-01
RF-3型生物质压块反烧炉由河北奥科瑞丰生物质技术有限公司生产,2012年烘烤季节在费县上冶烟站进行了烘烤试验,同年12月在改进完善的基础上,在莒南县相沟乡王祥社区烘烤工场进行了空载试验,2013年临沂烟区推广应用200套。现总结其特点、使用情况,并提出改进领域和工作思路,以供参考。
1 主要特点
1.1 工作原理
RF-3型生物质压块反烧炉采用生物质压块燃料半气化燃烧技术,点火容易,升温快,点火5 min即能达到理想燃烧状态,并可根据烘烤曲线控制火力,稳温时小火燃烧,燃烧充分,无黑烟[1]。
1.2 基本结构
RF-3型生物质压块反烧炉外观结构具体如图1所示。
1.3 主要特点
1.3.1 着火温度低。使用的生物质压块的着火点低,一般温度为300 ℃左右。一张报纸即可引燃,点火方便。
1.3.2 节能效果明显。使用秸秆压块做燃料,每炉次代替燃煤750 kg以上,节能、降本效果明显[2-3]。
1.3.3 减排效果显著。该炉采用气化燃烧技术,燃料燃烧充分,几乎不产生烟气、粉尘、焦油,减少了大气污染。另外,由于普通燃煤的含硫量在2%左右,而生物质原料的含硫量在0.1%以下,远远低于燃煤的含硫量,经测定,二氧化硫排放量低于国家标准2/3以上。同时,由于燃烧排放的二氧化碳被植物生长过程再次吸收,基本实现了燃烧过程中温室气体的零排放。
1.3.4 热量利用率更高。该炉的散热器面积增大,有效降低了排烟温度,烟气带走的热量更少,燃料利用率更高。
1.3.5 减工效果明显。采用自动给料装置,利用自控仪控制,自动给料装置加入一次燃料变黄期可使用10 h左右,定色期可使用4~6 h,燃烧时间长,降低了连续加料的劳动量[4]。
1.3.6 烘烤燃料成本投入更少。经验证,使用生物质压块反烧炉烘烤烟叶的压块使用量和使用普通立式炉煤炭使用量差不多,而生物质压块的价格是600元/t,煤炭的价格是1 000元/t左右,生产成本降低1/3。
1.3.7 燃料炉灰可回收利用。生物质压块燃料产生的炉灰富含钾元素,经集中回收可作为钾肥的原料卖给肥料厂或作为钾肥使用,经济、环保,实现了元素的自然循环。
2 使用情况
2.1 费县烘烤试验情况
生物质压块反烧炉平均每千克干烟耗生物质压块2.4 kg,耗电0.38 kW·h;普通炉平均每千克干烟耗煤量2.32 kg,耗电量0.38 kW·h。按照市场价,秸秆压块600元/t,煤炭1 000元/t,电0.84元/kW·h计算,不计人工成本,生物质压块反烧炉平均每千克干烟烘烤成本为2.08元,普通炉平均每千克干烟烘烤成本为2.96元。由此可以看出,使用生物质压块烘烤成本降低了29.73%,降耗效果明显。
2.2 莒南空载试验情况
2.2.1 点火。2012年12月28日9:34点火,9:38达到正常燃烧,烟囱达到无烟状态。
2.2.2 燃烧与升温。变黄期采用小火燃烧,燃烧时升温平稳,烟囱无黑烟现象,11:40烤房干球温度升至设定目标温度40 ℃,从点火时的1.9 ℃到40 ℃,共用时130 min,16:30停止加料,共使用生物质压块燃料102 kg,平均每小时压块消耗量在15 kg左右。
2.2.3 自动给料。炉体外装配自动加料装置,由料仓及无轴螺旋输送装置构成,每次可保障装满50 kg压块燃料,可持续保障3.5 h的连续燃烧;同时,燃料输送装置采用了二级减速技术,螺旋转速调节精确,运行平稳,容易进行加料量控制和调节[5]。
2.2.4 清灰。采用活动炉排,在燃烧过程中及燃烧结束后,通过链接炉排的手柄进行前后晃动清灰,能实现有效清理积灰,避免灰分堆积结焦现象;同时,可实现炉排上燃料的均匀分布,便于燃料的充分均匀燃烧,避免燃料堆积燃烧不充分的现象。
3 主要改进、完善的领域
3.1 烟囱
烟囱过高,材质为铁管,在夏季烤烟时如遇雷雨天气容易造成雷击事故,存在一定的安全隐患,建议安装避雷装置或改变烟囱材质,避免雷击现象的发生。
3.2 上料装置
上料装置过高,加料不方便,在使用过程中增加了劳动强度,建议降低料仓高度,增大料仓容积,使装料环节更加便捷,燃料持续时间更长。
3.3 风机
风机未安装变频装置,造成一定的燃料浪费,建议采用变频风机,减少频繁启动次数,延长风机使用寿命,降低能源消耗和成本投入。
3.4 动力系统
原有自动给料装置动力系统采用220 V单相电机,由于动力不足容易出现启动困难现象,现已更换三相电机,问题已解决。
4 发展思路
一是2013年烘烤之前,进一步验证设备各部分之间运行的吻合程度和烘烤效果。二是制订制作标准、安装图纸、安装技术规范和烘烤操作技术规范。
5 参考文献
[1] 宫长荣.密集式烘烤[M].北京:中国轻工业出版社,2007.
[2] 王卫峰,陈江华,宋朝鹏,等.密集烤房的研究进展[J].中国烟草科学,2005,26(3):12-14.
[3] 崔国民.烤烟密集型自动化烤房及烘烤工艺技术[M].北京:科学出版社,2012.
一、中国生物质能源开发利用现状
20世纪70年代,国际上第一次石油危机使发达国家和贫油国家重视石油替代,开始大规模发展生物质能源。生物质能源是以农林等有机废弃物以及利用边际土地种植的能源植物为主要原料进行能源生产的一种新兴能源。生物质能源按照生物质的特点及转化方式可分为固体生物质燃料、液体生物质燃料、气体生物质燃料。中国生物质能源的发展一直是在“改善农村能源”的观念和框架下运作,较早地起步于农村户用沼气,以后在秸秆气化上部署了试点。近两年,生物质能源在中国受到越来越多的关注,生物质能源利用取得了很大的成绩。沼气工程建设初见成效。截至2005年底,全国共建成3764座大中型沼气池,形成了每年约3.4l亿立方米沼气的生产能力,年处理有机废弃物和污水1.2亿吨,沼气利用量达到80亿立方米。到2006年底,建设农村户用沼气池的农户达2260万户,占总农户的9.2%,占适宜农户的15.3%,年产沼气87.0亿立方米,使7500多万农民受益,直接为农民增收约180亿元。生物质能源发电迈出了重要步伐,发电装机容量达到200万千瓦。液体生物质燃料生产取得明显进展,全国燃料乙醇生产能力达到:102万吨,已在河南等9个省的车用燃料中推广使用乙醇汽油。
(一)固体生物质燃料
固体生物质燃料分生物质直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为原料的燃料。生物质燃烧技术是传统的能源转化形式,截止到2004年底,中国农村地区已累计推广省柴节煤炉灶1.89亿户,普及率达到70%以上。省柴节煤炉灶比普通炉灶的热效率提高一倍以上,极大缓解了农村能源短缺的局面。生物质成型燃料是把生物质固化成型后采用略加改进后的传统设备燃用,这种燃料可提高能源密度,但由于压缩技术环节的问题,成型燃料的压缩成本较高。目前,中国(清华大学、河南省能源研究所、北京美农达科技有限公司)和意大利(比萨大学)两国分别开发出生物质直接成型技术,降低了生物质成型燃料的成本,为生物质成型燃料的广泛应用奠定了基础。此外,中国生物质燃料发电也具有了一定的规模,主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东和广西两省(区)共有小型发电机组300余台,总装机容量800兆瓦,云南也有一些甘蔗渣电厂。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂将在河北石家庄晋州市和山东菏泽市单县建设,装机容量分别为2×12兆瓦和25兆瓦,发电量分别为1.2亿千瓦时和1.56亿千瓦时,年消耗秸秆20万吨。
(二)气体生物质燃料
气体生物质燃料包括沼气、生物质气化制气等。中国沼气开发历史悠久,但大中型沼气工程发展较慢,还停留在几十年前的个体小厌氧消化池的水平,2004年,中国农户用沼气池年末累计1500万户,北方能源生态模式应用农户达43.42万户,南方能源生态模式应用农户达391.27万户,总产气量45.80亿立方米,相当于300多万吨标准煤。到2004年底,中国共建成2500座工业废水和畜禽粪便沼气池,总池容达到了88.29万立方米,形成了每年约1.84亿立方米沼气的生产能力,年处理有机废物污水5801万吨,年发电量63万千瓦时,可向13.09万户供气。
在生物质气化技术开发方面,中国对农林业废弃物等生物质资源的气化技术的深入研究始于20世纪70年代末、80年代初。截至2006年底,中国生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量539处,年产生物质燃气1.5亿立方米;年发电量160千瓦时稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。
(三)液体生物质燃料
液体生物质燃料是指通过生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油,可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。近年来,中国的生物质燃料发展取得了很大的成绩,特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。“十五”期间,在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂,总产能达到每年102万吨,现已在9个省(5个省全部,4个省的27个地(市))开展车用乙醇汽油销售。到2005年,这些地方除军队特需和国家特种储备外实现了车用乙醇汽油替代汽油。
但是,受粮食产量和生产成本制约,以粮食作物为原料生产生物质燃料大规模替代石油燃料时,也会产生如同当今面临的石油问题一样的原料短缺,因此,中国近期不再扩大以粮食为原料的燃料乙醇生产,转而开发非粮食原料乙醇生产技术。目前开发的以木薯为代表的非食用薯类、甜高粱、木质纤维素等为原料的生物质燃料,既不与粮油竞争,又能降低乙醇成本。广西是木薯的主要产地,种植面积和总产量均占全国总量的80%,2005年,木薯乙醇产量30万吨。从生产潜力看,目前,木薯是替代粮食生产乙醇最现实可行的原料,全国具有年产500万吨燃料乙醇的潜力。
此外,为了扩大生物质燃料来源,中国已自主开发了以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术(称为甜高粱乙醇),目前,已经达到年产5000吨燃料乙醇的生产规模。国内已经在黑龙江、内蒙古、新疆、辽宁和山东等地,建立了甜高粱种植、甜高梁茎秆制取燃料乙醇的基地。生产1吨燃料乙醇所需原料--甜高粱茎秆收购成本2000元,加上加工费,燃料乙醇生产成本低于3500元,吨。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产,这些甜高粱乙醇无法进入交通燃料市场,大多数掺入了低质白酒中。另外,中国也在开展纤维素制取燃料乙醇技术的研究开发,现已在安徽丰原生化股份有限公司等企业形成年产600吨的试验生产能力。目前,中国燃料乙醇使用量已居世界第三位。生物柴油是燃料乙醇以外的另一种液体生物质燃料。生物柴油的原料来源既可以是各种废弃或回收的动植物油,也可以是含油量高的油料植物,例如麻风树(学名小桐子)、黄连木等。中国生物柴油产业的发展率先在民营企业实现,海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司等都建成了年生产能力l万~2万吨的生产装置,主要以餐饮业废油和皂化油下脚料为原料。此外,国外公司也进军中国,奥地利一家公司在山东威海市建设年生产能力25万吨的生物柴油厂,意大利一家公司在黑龙江佳木斯市建设年生产能力20万吨的生物柴油厂。预计中国生物柴油产量2010年前约可达每年100万吨。
二、中国生物质能源发展政策
为了确保生物质能源产业的稳步发展,中国政府出台了一系列法律法规和政策措施,积极推动了生物质能源的开发和利用。
(一)行业标准规范生产,法律法规提供保障
本世纪初,为解决大量库存粮积压带来的财政重负和发展石化替代能源,中国开始生产以陈化粮为主要原料的燃料乙醇。2001年,国家计划委员会了示范推行车用汽油中添加燃料乙醇的通告。随后,相关部委联合出台了试点方案与工作实施细则。2002年3月,国家经济贸易委员会等8部委联合制定颁布了《车用乙醇汽油使用试点方案》和《车用乙醇汽油使用试点工作实施细则》,明确试点范围和方式,并制定试点期间的财政、税收、价格等方面的相关方针政策和基本原则,对燃料乙醇的生产及使用实行优惠和补贴的财政及价格政策。在初步试点的基础上,2004年2月,国家发展和改革委员会等8部委联合《车用乙醇汽油扩大试点方案》和《车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则》,在中国部分地区开展车用乙醇汽油扩大试点工作。同时,为了规范燃料乙醇的生产,国家质量技术监督局于2001年4月和2004.年4月,分别GBl8350-2001《变性燃料乙醇》和GBl8351-2001《车用乙醇汽油》两个国家标准及新车用乙醇汽油强制性国家标准(GBl835l一2004)。在国家出台相关政策措施的同时,试点区域的省份均制定和颁布了地方性法规,地方各级政府机构依照有关规定,加强组织领导和协调,严格市场准入,加大市场监管力度,对中国生物质燃料乙醇产业发展和车用生物乙醇汽油推广使用起到了重大作用。
此外,国家相关的法律法规也为生物质能源的发展提供保障。2005年,《中华人民共和国可再生能源法》提出,“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料、鼓励发展能源作物,将符合国家标准的生物液体燃料纳入其燃料销售体系”。国家“十一五”规划纲要也提出,“加快开发生物质能源,支持发展秸秆、垃圾焚烧和垃圾填埋发电,建设一批秸秆发电站和林木质发电站,扩大生物质固体成型燃料、燃料乙醇和生物柴油生产能力”。
(二)运用经济手段和财政扶持政策推动产业发展
除制定相应法律法规和标准外,2002年以来,中央财政也积极支持燃料乙醇的试点及推广工作,主要措施包括投入国债资金、实施税收优惠政策、建立并优化财政补贴机制等。一是投入国债资金4.8亿元用于河南、安徽、吉林3省燃料乙醇企业建设;二是对国家批准的黑龙江华润酒精有限公司、吉林燃料乙醇有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司、安徽丰原生化股份有限公司4家试点单位,免征燃料乙醇5%的消费税,对生产燃料乙醇实现的增值税实行先征后返;三是在试点初期,对生产企业按保本微利的原则据实补贴,在扩大试点规模阶段,为促进企业降低生产成本,改为按照平均先进的原则定额补贴,补贴逐年递减。
为进一步推动生物质能源的稳步发展,2006年9月,财政部、国家发展和改革委员会、农业部、国家税务总局、国家林业局联合出台了《关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策的实施意见》,在风险规避与补偿、原料基地补助、示范补助、税收减免等方面对于发展生物质能源和生物化工制定了具体的财税扶持政策。此外,自2006年1月1日《可再生能源法》正式生效后,酝酿中与之配套的各项行政法规和规章也开始陆续出台。财政部2006年10月4日出台了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》,该办法对专项资金的扶持重点、申报及审批、财务管理、考核监督等方面做出全面规定。该《办法》规定:发展专项资金由国务院财政部门依法设立,发展专项资金的使用方式包括无偿资助和贷款贴息,通过中央财政预算安排。
三、中国生物质能源发展中存在的主要问题
尽管中国在生物质能源等可再生能源的开发利用方面取得了一些成效,但由于中国生物质能源发展还处于起步阶段,面临许多困难和问题,归纳起来主要有以下几个方面。
(一)原料资源短缺限制了生物质能源的大规模生产
由于粮食资源不足的制约,目前,以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。今后,生物质燃料乙醇生产应转为以甜高粱、木薯、红薯等为原料,特别是以适宜在盐碱地、荒地等劣质地和气候干旱地区种植的甜高粱为主要原料。虽然中国有大量的盐碱地、荒地等劣质土地可种植甜高粱,有大量荒山、荒坡可以种植麻风树和黄连木等油料植物,但目前缺乏对这些土地利用的合理评价和科学规划。目前,虽然在西南地区已种植了一定数量的麻风树等油料植物,但不足以支撑生物柴油的规模化生产。因此,生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发展的重要因素。
(二)还没有建立起完备的生物质能源工业体系,研究开发能力弱,技术产业化基础薄弱
虽然中国已实现以粮食为原料的燃料乙醇的产业化生产,但以其他能源作物为原料生产生物质燃料尚处于技术试验阶段,要实现大规模生产,还需要在生产工艺和产业组织等方面做大量工作。以废动植物油生产生物柴油的技术较为成熟,但发展潜力有限。后备资源潜力大的纤维素生物质燃料乙醇和生物合成柴油的生产技术还处于研究阶段,一些相对成熟的技术尚缺乏标准体系和服务体系的保障,产业化程度低,大规模生物质能源生产产业化的格局尚未形成。
(三)生物燃油产品市场竞争力较弱
巴西以甘蔗生产燃料乙醇1980年每吨价格为849美元,1998年降到300美元以下。中国受原料来源、生产技术和产业组织等多方面因素的影响,燃料乙醇的生产成本比较高,目前,以陈化粮为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨3500元左右,以甜高粱、木薯等为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨4000元。按等效热值与汽油比较,汽油价格达到每升6元以上时,燃料乙醇才可能赢利。目前,国家每年对102万吨燃料乙醇的财政补贴约为15亿元,在目前的技术和市场条件下,扩大燃料乙醇生产需要大量的资金补贴。以甜高粱和麻风树等非粮食作物为原料的燃料乙醇和生物柴油的生产技术才刚刚开始产业化试点,产业化程度还很低,近期在成本方面的竞争力还比较弱。因此,生物质燃料成本和石油价格是制约生物质燃料发展的重要因素。
(四)政策和市场环境不完善,缺乏足够的经济鼓励政策和激励机制
生物质能源产业是具有环境效益的弱势产业。从国外的经验看,政府支持是生物质能源市场发育初期的原始动力。不论是发达国家还是发展中国家,生物质能源的发展均离不开政府的支持,例如投融资、税收、补贴、市场开拓等一系列的优惠政策。2000年以来,国家组织了燃料乙醇的试点生产和销售,建立了包括燃料乙醇的技术标准、生产基地、销售渠道、财政补贴和税收优惠等在内的政策体系,积累了生产和推广燃料乙醇的初步经验。但是,由于以粮食为原料的燃料乙醇发展潜力有限,为避免对粮食安全造成负面影响,国家对燃料乙醇的生产和销售采取了严格的管制。近年来,虽有许多企业和个人试图生产或销售燃料乙醇,但由于受到现行政策的限制,不能普遍享受到财政补贴,也难以进入汽油现有的销售渠道。对于生物柴油的生产,国家还没有制定相关的政策,特别是还没有生物柴油的国家标准,更没有生物柴油正常的销售渠道。此外,生物质资源的其它利用项目,例如燃烧发电、气化发电、规模化畜禽养殖场大中型沼气工程项目等,初始投资高,需要稳定的投融资渠道给予支持,并通过优惠的投融资政策降低成本。中国缺乏行之有效的投融资机制,在一定程度上制约了生物质资源的开发利用。
四、中国生物质能源未来的发展特点和趋势
(一)逐步改善现有的能源消费结构,降低石油的进口依存度
中国经济的高速发展,必须构筑在能源安全和有效供给的基础之上。目前,中国能源的基本状况是:资源短缺,消费结构单一,石油的进口依存度高,形势十分严峻。2004年,中国一次能源消费结构中,煤炭占67.7%,石油占22.7%,天然气占2.6%,水电等占7.0%;一次能源生产总量中,煤炭占75.6%,石油占13.5%,天然气占3.O%,水电等占7.9%。这种能源结构导致对环境的严重污染和不可持续性。中国石油储量仅占世界总量的2%,消费量却是世界第二,且需求持续高速增长,1990年的消费量刚突破1亿吨,2000年达到2.3亿吨,2004年达到3.2亿吨。中国自1993年成为石油净进口国后,2005年进口原油及成品油约1.3亿吨,估计2010年将进口石油2.5亿吨,进口依存度将超过50%。进口依存度越高,能源安全度就越低。中国进口石油的80%来自中东,且需经马六甲海峡,受国际形势影响很大。
因此,今后在厉行能源节约和加强常规能源开发的同时,改变目前的能源消费结构,向能源多元化和可再生清洁能源时代过渡,已是大势所趋,而在众多的可再生能源和新能源中,生物质能源的规模化开发无疑是一项现实可行的选择。
(二)生物质产业的多功能性进一步推动农村经济发展
生物质产业是以农林产品及其加工生产的有机废弃物,以及利用边际土地种植的能源植物为原料进行生物能源和生物基产品生产的产业。中国是农业大国,生物质原料生产是农业生产的一部分,生物质能源的蕴藏量很大,每年可用总量折合约5亿吨标准煤,仅农业生产中每年产生的农作物秸秆,就折合1.5亿吨标准煤。中国有不宜种植粮食作物、但可以种植能源植物的土地约l亿公顷,可人工造林土地有311万公顷。按这些土地20%的利用率计算,每年约可生产10亿吨生物质,再加上木薯、甜高粱等能源作物,据专家测算,每年至少可生产燃料乙醇和生物柴油约5000万吨,农村可再生能源开发利用潜力巨大。生物基产品和生物能源产品不仅附加值高,而且市场容量几近无限,这为农民增收提供了一条重要的途径;生物质能源生产可以使有机废弃物和污染源无害化和资源化,从而有利于环保和资源的循环利用,可以显著改善农村能源的消费水平和质量,净化农村的生产和生活环境。生物质产业的这种多功能性使它在众多的可再生能源和新能源中脱颖而出和不可替代,这种多功能性对拥有8亿农村人口的中国和其他发展中国家具有特殊的重要性。
(三)净化环境,进一步为环境“减压”
随着中国经济的高速增长,以石化能源为主的能源消费量剧增,在过去的20多年里,中国能源消费总量增长了2.6倍,对环境的压力越来越大。2003年,中国二氧化碳排放量达到8.23亿吨,居世界第二位。2025年前后,中国二氧化碳排放量可能超过美国而居首位。2003年,中国二氧化硫的排放量也超过了2000万吨,居世界第一位,酸雨区已经占到国土面积的30%以上。中国二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的2/3均来自燃煤。预计到2020年,氧化硫和氮氧化物的排放量将分别超过中国环境容量30%和46%。《京都议定书》已对发达国家分配了2012年前二氧化碳减排8%的指标,中国是《京都议定书》的签约国,承担此项任务只是时间早晚的问题。此外,农业生产和废弃物排放也对生态环境带来严重伤害。因此,发展生物质能源,以生物质燃料直接或成型燃烧发电替代煤炭以减少二氧化碳排放,以生物燃油替代石化燃油以减少碳氢化物、氮氧化物等对大气的污染,将对于改善能源结构、提高能源利用效率、减轻环境压力贡献巨大。
(四)技术逐步完善,产业化空间广阔
从生物质能源的发展前景看,第一,生物乙醇是可以大规模替代石化液体燃料的最现实选择;第二,对石油的替代,将由E85(在乙醇中添加15%的汽油)取代E10(汽油中添加10%的乙醇);第三,FFVs(灵活燃料汽车)促进了生物燃油生产和对石化燃料的替代,生物燃油的发展带动了传统汽车产业的更新改造;第四,沼气将规模化生产,用于供热发电、(经纯化压缩)车用燃料或罐装管输;第五,生物质成型燃料的原料充足,技术成熟,投资少、见效快,可广泛用于替代中小锅炉用煤,热电联产(CHP)能效在90%以上,是生物质能源家族中的重要成员;第六,以木质纤维素生产的液体生物质燃料(Bff。)被认为是第二代生物质燃料,包括纤维素乙醇、气化后经费托合成生物柴油(FT柴油),以及经热裂解(TDP)或催化裂解(CDP)得到的生物柴油。此外,通过技术研发还将开拓新的资源空间。工程藻类的生物量巨大,如果能将现代生物技术和传统育种技术相结合,优化育种条件,就有可能实现大规模养殖高产油藻。一旦高产油藻开发成功并实现产业化,由藻类制取生物柴油的规模可以达到数千万吨。
据专家预测估计,到2010年,中国年生产生物燃油约为600万吨,其中,生物乙醇500万吨、生物柴油100万吨:到2020年,年生产生物燃油将达到1900万吨,其中,生物乙醇1000万吨,生物柴油900万吨。
一、生物质颗粒燃料来源、加工工艺流程和特点
物质燃料锅炉是采用高密度的压缩成型生物质作为锅炉的燃料,由于燃料的压缩密实,限制了挥发分溢出速度,所以生物质燃料燃烧主要由下面几个条件控制:一定的温度;一定的空气(氧气);燃料与空气(氧气)的混合程度;燃料中的可燃物与空气中的氧气进行剧烈的化学反应时间。由于生物质燃料的燃点为250℃,其温度的提高由点火热供给。生物质燃料的燃烧过程是燃料中的可燃成分与空气中的氧剧烈化合并放出热量的过程。因而,氧气的供给量决定燃烧反应的过程,通过对供氧量的控制,可以很好地控制燃烧反应。另外,生物质燃料很有一定的水分,并且生物质燃料是经过压缩成型的,它的压缩密实,限制了挥发分溢出速度,不易着火燃烧的形成黄色明亮的火焰,容易冒黑烟。所以现运行的生活及工业锅炉的结构不适合直接使用生物质颗粒燃料,若不加改造直接使用生物质颗粒燃料,锅炉将出现冒黑烟、效率低、有粉尘污染等现象。因此,燃用生物质颗粒燃料锅炉需要加装专门的送风设施,在充分保证燃烧生物质“颗粒”供氧量的要求下,锅炉进风量可以进行调整。生物质颗粒锅炉的技术关键是:高密度生物质“颗粒”压缩成型加工设备与连续性生产的自动生产线、锅炉结构、燃烧方式、换热方式、送风方式突破传统模式。
二、物质燃料锅炉的运行
生物质燃料锅炉的运行与燃煤锅炉的运行一样,根据不同的锅炉规格型号设置不同的燃烧设备。但由于生物质颗粒燃料是经过压缩成型的,水分大、密度高、挥发分溢出速度慢,不易着火燃烧,容易冒黑烟。所以要保证生物质燃料燃烧完全,即:要使燃烧设备与所用燃料相适应;要从提高炉膛温度、改善燃烧来减少不完全损失;要从燃料空气比例,煤层厚度,炉排速度,炉膛负压和过量空气系数等来进行调节和控制;在运行中要加强检查、维护和保养。
生物质直燃发电技术也常规火力发电技术的区别主要有两点,同时也是两大技术难点,一时燃烧设备,二是上料系统。生物质的燃烧设备主要有:堆装燃烧、炉排式燃烧锅炉、悬浮锅炉、和流化床燃烧锅炉。目前,炉排式燃烧锅炉该技术在国外被广泛应用,有成功的运行经验。在国内已经建成和投运了25太机组,目前运行良好。振动炉排锅炉为自然循环、单汽包、但炉膛、平衡通风、室内布置、全钢架结构、底部支撑结构型锅炉。锅炉汽水系统采用自然循环,炉膛外集中下降管结构。该锅炉采用“M”型布置,炉膛和过热器通道采用全封闭的模式结构,很好地保证了锅炉的密封性能。过热蒸汽采用四级加热,三级喷水减温方式,使过热器温度有很大的调解裕度,以保证锅炉蒸汽参数。尾部竖井内布置有两级省煤器、一级高压烟气冷却器和两级低压烟气冷却器。空气预热器布置在烟道以外,采用水冷加热的方式,有效地避免了尾部烟道的低温腐蚀。
由于生物质燃料是经过高压低温压缩加工成型的颗粒状燃料,水分大,体积大,燃料之间相互碰撞阻力大,所以在安装螺旋式上料机时要注意以下几个方面:螺旋式上料机安装时,输料管与地面下储料斗连接时要有一定的倾斜角度。但为了节约锅炉房占地面积,同时又符合锅炉房设计规范的工艺布置要求,所以输料管的倾斜角≤60°为宜。在燃料经过螺旋式上料机的螺旋轴转动下通过输料管进入到密闭式料斗时,由于燃料层厚度受煤闸门的限制。因此,为了避免燃料进入的太多,造成燃料在密闭式燃料斗和输料管内积压,并影响燃料通过煤闸门。可以在螺旋式上料机最上端与密闭料斗连接的输料管最上端位置开一个检查孔,并安装一个行程开关对螺旋式上料机电动机的启动、停止进行自动控制。当密闭式料斗和输料管内的燃料积压时,可以自动切断螺旋式上料机电动机电源,而使螺旋式上料机停止工作;当密闭式燃料斗和输料管内的燃料缺少时,自动连接螺旋上料机电源,使螺旋上料机开始工作,往输料管密闭式料斗内输送燃料。由于生物质燃料是高挥发分燃料,燃料的燃烧速度比煤快,并且燃烧所含的灰分比煤低,燃料的燃尽率比煤高。生物质燃料的燃尽率可达到96%,而煤的燃尽率在85—94%之间。所以生物质燃料在燃炉中的燃烧温度能达到1060℃以上。因此根据锅炉负荷情况,正确调整生物质燃料层的高度及炉排转,是为了最大的提高锅炉热效率的一项措施。一般燃煤锅炉的煤层厚度控制在100—140毫米之间,负荷高时加高煤层厚度,负荷低时减低煤层高度。炉排机转速一般情况下可控制在250—400转/分钟,最高不超过450转/分钟,以维持煤燃料的足够燃烬时间。而生物质燃料的燃点低、挥发分高、燃烧速度快、燃烬率高、燃烧温度高。所以根据生物质锅炉经过一个采暖期运看,我们认为生物质燃料锅炉的煤层厚度一般控制在130—150毫米之间,负荷高时可加高燃料层厚度,负荷低时减低燃料层厚度。炉排机转速一般情况下可控制在300—500转/分钟,最高不超过550转/分钟。以便维持生物质燃料足够的燃烬时间。如果炉排机转速过慢,容易引起倒燃而使燃料斗里的燃料着火。所以在锅炉运行要随时观察炉排上燃料燃烧的情况,如燃料斗里的燃料有着火现象,应及时加大炉排机转速,以消除燃料斗里的燃料着火情况。
【关键词】生物质;发电企业;成本控制
1.引言
随着低碳经济的到来,生物质能成为仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源。我国作为农业大国,有着丰富的生物质资源,生物质发电发展空间广阔。在国家政策的支持下,生物质发电项目得到了快速发展。但是,生物质发电刚刚起步,成本控制不理想,投产的企业大部分处于亏损状态。因此,如何解决生物质发电企业的成本控制管理问题已成为当务之急。
成本控制有广义和狭义之分,广义的成本控制包括事前控制、事中控制和事后控制;狭义的成本控制仅指成本的过程控制,不包括前馈控制和后馈控制[1]。本文所研究的生物质发电企业成本控制是狭义成本控制,依此制定与企业发展战略相适应的成本战略,从而降低生产成本、增强竞争能力。
2.生物质发电企业的成本构成
生物质发电项目的总成本计算公式为:
(1)
其中:C1表示燃料成本;C2表示职工工资;C3表示固定资产折旧额;C4表示大修理费;C5表示管理费;C6表示财务费用;N表示其他的成本费用。
生物质发电项目的燃料成本的计算公式:
(2)
其中:d1表示原材料成本;d2表示运输成本;d3表示压缩成本;d4表示装卸成本;d5表示储存成本。
3.XX县生物质(秸秆)发电企业成本控制的案例分析
3.1 XX县生物质(秸秆)发电项目的成本概况
XX县生物质(秸秆)发电项目的情况介绍:建设装机总容量为2×12MW抽汽凝汽式供热机组配2×75t/h级秸秆燃烧锅炉,年预计发电量为1.32×108kw·h,秸秆燃料在250~300元之间,预计年消耗量为25.65万吨。该生物质发电厂主要的生产成本如表1所示:
通过以上数据我们可以得出:该生物质发电企业的成本费用构成中,燃料成本占到了总成本的67.40%,所占比重是最大的。所以,我们要先从降低燃料成本入手,以降低生物质发电项目的总成本。
该县生物质发电项目的总成本为11039.554万元,则单位电力成本为0.84元/kw·h。国家发改委于2010年7月26日通知规定农林生物质发电标杆上网电价上调为0.75元/kw·h,所以该县年处于亏损状态。
3.2 XX县生物质发电项目的成本控制分析
量本利分析,是指在成本性态的基础之上,对成本、业务量与利润之间的依存关系所进行的分析[2]。盈亏平衡分析是量本利分析的一项重要内容。根据以上成本费用的计算,可以得到该县生物质发电的盈亏平衡预测,如表2所示。
通过表2的盈亏平衡分析,上网电价为0.75元/千瓦,用P、a、p、b、x分别表示企业的利润、固定成本、单价、变动成本和销售量,则根据量本利的基本公式:
(3)
可以计算得出:该生物质发电企业的单位发电变动成本:
(4)
则该县生物质发电的燃料成本为:
(5)
其中:x1表示发电量;x2表示燃料的年消耗量;b1表示变动的职工工资;b2表示变动的管理费用;b3表示变动的制造费用;b4表示其他费用。
计算得出若该企业想要保本发电,燃料的收购价不应该超过210元。然而要想控制秸秆的价格,必须从原材料成本、运输成本、压缩成本、装卸成本与储存成本等方面着手分析,寻找解决措施。
4.生物质发电项目的成本控制存在的问题与对策
(1)燃料成本控制问题与对策
燃料成本过高是导致生物质发电企业亏损的最主要原因。首先是季节问题,秋季收获,秸秆存储空间紧张;其他季节存储空间闲置。正在建设中的生物质发电项目将陆续投产,燃料市场竞争将更激烈,燃料收购半径长和人力成本高等问题将会愈加突出,投产就亏损的尴尬局面将无法避免。而且秸秆本身不适于长距离运输;秸秆资源分散,增加了收集成本。
要突破瓶颈,必须在燃料收、运、储等方面采取措施,控制成本。首先,要建立起“农户分散收集晾干-秸秆收购站购买-运输公司运输-电厂”的生物质燃料收、运、储模式。建立专门的收购站保证燃料供给,减少储存成本。使用机器将秸秆压缩打包、压缩大捆,还可以使用成型造粒工艺增加秸秆的比重,可部分解决运输问题。为避免同行竞争,积极开展价格联盟或开发新的燃料品种。
(2)维修费用控制问题与对策
设备稳定性也是该县生物质发电企业所面临的问题。尽管汽轮发电机、锅炉等关键设备运行比较稳定,但给给料系统、水泵、引风机等辅助设备由于噪声大、震动大等缺点,影响到整个秸秆发电系统的稳定运行,需要不时地停产检修,影响了企业的经济效益,增加了企业的运营成本。
为降低维修费用,生物质发电企业要制定日常的设备检查办法,减少现场设备的出现缺陷的几率,减少企业的运营成本,而且生产运行人员要参考其他机组的技术经济指标,及时调整指标。由于生物质发电企业具有明显的季节性,生产运行人员要根据季节的变化适时地调整机组的运行参数。
(3)财务管理存在问题与对策
财务软件的广泛运用在一定程度上缩减了财务人员地核算压力,提高了工作效率,但是在成本控制方面仍然有多不完善的地方,缺乏有效的内部控制,在预算管理、数据分析、指标分解、削减成本、成本控制等过程的控制比较薄弱。
严格控制成本预算,就要加强资金管理,提高资金的使用效率。财务部门要准确编制预算开支,减少资金浪费的现象;加强费用的控制,强调预算刚性,要根据生产经营中的问题进行分析,及时发现、解决问题。建立与之配套的会计服务体系,提供规范的会计核算和准确的财务数据。还要加强内部控制,缩减成本开支,增强企业的经济效益。
(4)政府扶持现状与改进建议
尽管政府颁布了一些税收优惠政策促进了生物质发电的发展,但支持力度还待进一步加大。根据《可再生能源法》规定,农林剩余物生物质发电享受财政税收等优惠政策,但是在目前的电价和税收政策下,生物质发电企业增值税实际税负约为11%,其远远高于火力发电(税负约6%~8%)和小水电(税负约3%)税负,生物质发电离不开国家财政、税收的政策支持。
国家政策的导向作用对生物质发电至关重要。首先,要做好全国生物质资源整体情况的调查和评价分布情况,编制发展规划,统筹生物质发电行业的区域布局,防治盲目建设。其次,完善生物质发电的标准和规范,加强管理,严格项目核准,制定行业准入和技术标准。再次,完善生物质发电定价和费用分摊机制。实行合理的投资补贴和产品补贴,加大转移支付力度,设立生物质发电产业发展专项资金,在财政预算中单列专项引导资金项目。
参考文献:
[1]陈丽辉.生物质发电企业成本管理研究[D].华北电力大学,2011.
[2]高孝春.发电企业成本控制探析[J].中国电力教育,2009(1).
[3]崔和瑞.邱大芳.任峰.我国秸秆发电项目推广中的问题与政府责任及其实现路径[J].农业现代化研究,2012(1).
关键词:生物质 锅炉效率 调整措施
1 前言
广东粤电湛江生物质发电有限公司是目前国内单机容量最大的燃用生物质燃料的电厂,总装机容量为2×50MW。其燃用的生物质燃料较为广泛,有甘蔗渣、甘蔗叶、树根、树皮、木质边角料、橡胶木等。
两台机组由2011年投产至今已有四年,由不稳定的试运行阶段进入了稳定运行阶段,研究如何进一步提高锅炉效率就显得尤为重要。文章根据本人在生物质发电厂的工作经验,对相关影响因素作分析研究,提出相应的调整措施,以促进生物质锅炉安全、高效、稳定、长周期运行,进而提高我厂经济效益,为社会创造财富。
2 锅炉设备简介
广东粤电湛江生物质电厂总装机容量为2×50MW。两台锅炉均由华西能源工业股份有限公司生产,其型号为HX220/9.8-Ⅳ1。锅炉为自然循环、高温高压、平衡通风、露天布置的固态排渣循环流化床锅炉。
设计燃料:50%甘蔗叶+20%树皮+30%其它;
实际燃料:较为多变,一般为树皮搭配其他生物质燃料
由右表看出,我厂锅炉运行的实际参数与设计参数有一定的差异,在一次风量、二次风量、炉膛出口烟温和锅炉热效率方面表现最为明显。由于实际燃料与设计燃料偏差较大,加上生物质燃料具有多变性并附带碱性腐蚀等问题,实际锅炉效率将比设计值低。
3 影响生物质锅炉效率的主要因素
在实际运行中,影响生物质锅炉效率的因素较多,文章就三个主要因素展开分析。
(1)生物质燃料多变性对锅炉效率的影响
与燃煤机组不同,生物质燃料具有多变性。燃煤机组在使用同一批次的煤种时,进入炉膛的燃料可以视为不变,但进入生物质锅炉的燃料在一小时内却可以发生剧烈的变化。这是因为煤的供应市场较为稳定,加之煤本身热值高,耗量相对较少,但生物质燃料普遍热值较低,耗量大。同时,煤的来源颇为丰富,而各种生物质燃料来源缺乏较稳定的供应源,而且实际运营中来料批次混杂,导致同一时刻进入锅炉的燃料种类不稳定,即其干度、热值等参数不稳定,严重影响生物质锅炉的效率。
除此以外,生物质燃料多从农林及加工场购入,不可避免地混有石头、铁钉等不可燃烧杂质。由于生物质燃料耗量大,难以在上料过程彻底清除,这也会影响锅炉的热效率。
(2)设备状态对锅炉效率的影响
燃用生物质燃料目前仍是一项不稳定不成熟的技术,在实际运行中必然存在对锅炉设备的影响,进而又对锅炉效率产生不利的影响。根据实际运行出现的问题,我厂锅炉常出现的设备异常有以下几种。
2.1 布风板上异物堆积影响流化状态
如果燃料杂质中不可燃成分质量较大,将无法从排渣口排出,长期囤积在布风板上,影响炉内流化状态,甚至砸坏布风板上的风帽。当风帽大面积损坏时,流化状态严重恶化,锅炉效率大打折扣。
2.2 竖井烟道内过热器积灰严重
由于生物质锅炉运行参数较低,燃烧产生的灰较容易在尾部烟道积聚。尽管每天严格执行吹灰工作,但仍不可避免烟道积灰的问题。当过热器积灰严重时,将难以保证炉内微负压运行。此时只能减少给料以维持锅炉运行,锅炉效率便降低了。
2.3 空预器频繁漏风
生物质锅炉由于存在碱性腐蚀,受热面的腐蚀问题较为突出。长周期的腐蚀将使空预器的管壁减薄,漏风问题日益加剧。当一次风空预器腐蚀时,将难以保证炉内流化;当二次风空预器腐蚀时,将影响炉内氧量供给。两种情况都对锅炉效率产生不利的影响。此外,空预器漏风将降低排烟温度,锅炉热效率受到较大影响。
2.4 过热器腐蚀导致泄漏
碱性腐蚀使过热器运行的可靠性降低,当过热器产生泄漏时,只能降低参数运行,甚至被迫停炉,对机组运行威胁较大。
(3)下料均匀性对锅炉效率的影响
由于生物质锅炉的应用尚未成熟,故其上料系统也不成熟。而在实际运行中,生物质燃料种类繁杂,其流动性、干湿度千差万别,运行过程较难保证下料均匀。煤粉炉能较为精确地向炉内提供给料,但生物质锅炉却较难实现。我厂使用两级变频螺旋给料机向炉内提供生物质燃料,但由于燃料多变,给料机同一转速却不一定对应一定的给料量,此时运行值班员的调控便显得更为重要。除此以外,下料过程存在生物质燃料溢流、卡涩给料机等问题,也将使下料问题进一步复杂化。
下料不均对生物质锅炉的参数的影响十分明显。由于生物质燃料一般较快燃尽,短时间的中断给料,难怕只有一两分钟,炉膛出口烟温都能下降100摄氏度甚至更多,即生物质锅炉的稳定性难以和煤粉炉相比较。而大幅度波动的参数将较大程度地降低锅炉稳定性,锅炉稳定性难以保证,锅炉效率便无从谈起。
4 相关的调整措施
(1)合理采购生物质燃料,严把质量关,尽量减少燃料中的不可燃杂质。同时,合理配料使进入炉膛的生物质燃料平均热值相差较小。例如,将干度较高和干度较低的燃料搭配使用,将流动性较好和流动性较差的燃料搭配使用,以提高燃料的稳定性,进而提高生物质锅炉的热效率。
(2)提高设备的可靠性。利用每次停炉的机会,充分清理布风板上的杂质,对破损风帽进行重新焊接修补,确保运行时流化正常;清理尾部烟道过热器外侧的积灰和污垢,清理完毕使用消防水进行冲洗,确保烟气通流顺畅;对漏风的空预器进行堵管或更换处理,确保空预器的有效利用;对过热器管壁进行测厚处理,及时更换泄漏或是管壁变薄的管子,以减少运行时过热器爆管泄漏的可能。除此以外,还可以考虑引风机整体增容改造计划和过热器整体更换计划,以解决炉膛正压问题和过热器破损严重的问题。
(3)提高运行操作的调整水平,特别加强给料均匀性调整。操作时要求做到精调细调,防止锅炉参数出现大幅度波动。根据炉膛参数调整给料机,尽量做到提前操控,避免出现人为因素引起断料和缺料的情况,导致锅炉效率下降。